CN110838616A - 集成基片间隙波导四臂圆极化天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了集成基片间隙波导四臂圆极化天线，其包括上层介质板、下层介质板以及间隔介质板；上层介质板的上表面印刷有第一敷铜层，第一敷铜层上设有缝隙，上层介质板的下表面印刷有依次连接的馈电微带线、四分之一波长的阻抗变换器和四分之三波长的阻抗匹配线，阻抗匹配线从外向内弯曲成环形，阻抗匹配线上设有四个互相垂直且间隔四分之一波长的天线臂，缝隙内设有与阻抗变换器正对设置且大小相同的阻抗匹配贴片以及与阻抗匹配线正对设置且大小相同的环形贴片；下层介质板的下表面印刷有第二敷铜层，下层介质板的上表面印刷有周期性排列的圆形金属贴片，每一圆形金属贴片上设有金属过孔。本发明能够简化天线结构、提高天线增益和带宽、改善轴比带宽性能。

Description

集成基片间隙波导四臂圆极化天线

技术领域

本发明涉及天线技术领域，特别是涉及集成基片间隙波导四臂圆极化天线。

背景技术

圆极化天线由于其具有良好的兼容性和抗干扰能力，被广泛应用于导航卫星、雷达和移动通信等多个不同的场景中。目前，毫米波段的圆极化天线大致分为微带圆极化天线、金属矩形波导(RW)圆极化天线和基片集成波导(SIW)圆极化天线。目前，传统的毫米波段圆极化天线存在一些问题，比如：纯金属的结构在毫米波段难以制造，基片集成波导(SIW)的电磁屏蔽性能不强、结构复杂。

近年来，集成基片间隙波导(ISGW)天线被提出，该天线基于多层PCB板来实现,分为带脊的ISGW和微带ISGW两种结构。带脊的ISGW一般由两层PCB构成，上层PCB外侧表面全敷铜构成理想电导体(PEC)，下层PCB上印刷有微带线，微带线上带有一系列金属化过孔与下方金属地相连形成一种类似脊的结构，微带线两侧是周期性的蘑菇结构以形成理想磁导体(PMC)。由于PEC与PMC间形成EBG，电磁波(准TEM波)只能沿着微带线传播。但是，由于带脊的ISGW中微带线与蘑菇结构处于同一层PCB板上，所以其微带线会受到蘑菇结构的制约而不方便走线，在实际应用中存在局限性。

ISGW由三层PCB板构成。上层PCB板的外侧全覆铜形成PEC，内侧则印刷微带线，底层PCB板上全部印制蘑菇状周期结构以构成PMC，在上层和底层间插入一块中间介质板来隔断上层和底层。由于有中间层的隔断，微带线布局灵活，不必担心受到蘑菇状周期结构制约。当这种ISGW工作时，准TEM波会沿着微带线在微带线与PEC之间的介质基板内传播，这种工作模式和介质埋藏的微带线十分类似。同样地，PEC与PMC之间会产生EBG以阻止波在其他方向上的传播，以保证沿微带线的准TEM波的传播。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是提供集成基片间隙波导四臂圆极化天线，能够简化天线结构、提高天线增益和带宽、改善轴比带宽性能。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供集成基片间隙波导四臂圆极化天线，包括上层介质板(1)、下层介质板(3)以及设置在所述上层介质板(1)和下层介质板(3)之间的间隔介质板(2)；所述上层介质板(1)的上表面印刷有第一敷铜层(11)，所述第一敷铜层(11)上设有缝隙(12)，所述上层介质板(1)的下表面印刷有依次连接的馈电微带线(13)、四分之一波长的阻抗变换器(14)和四分之三波长的阻抗匹配线(15)，所述阻抗匹配线(15)从外向内弯曲成环形，所述阻抗匹配线(15)上设有四个互相垂直且间隔四分之一波长的天线臂(16)，所述阻抗变换器(14)、阻抗匹配线(15)和天线臂(16)位于所述缝隙(12)的投影范围内，所述缝隙(12)内设有与阻抗变换器(14)正对设置且大小相同的阻抗匹配贴片(17)以及与阻抗匹配线(15)正对设置且大小相同的环形贴片(18)；所述下层介质板(3)的下表面印刷有第二敷铜层(31)，所述下层介质板(3)的上表面印刷有周期性排列的圆形金属贴片(32)，每一所述圆形金属贴片(32)上设有金属过孔(33)，每一所述金属过孔(33)贯穿下层介质板(3)与第二敷铜层(31)相连。

优选的，所述天线臂(16)包括与阻抗匹配线(15)连接的短臂(161)以及与短臂(161)垂直连接的长臂(162)。

优选的，所述四个天线臂(16)的长度依次增大。

优选的，以一个天线臂(16)的长度为基准长度，其余三个天线臂(16)的长度分别为基准长度乘以预设长度因子、基准长度乘以预设长度因子的平方、基准长度乘以预设长度因子的立方。

优选的，所述圆形金属贴片(32)仅在缝隙(12)在下层介质板(3)上表面的投影范围外排列。

优选的，所述上层介质板(1)和下层介质板(3)均采用Rogers5880板材制成，所述阻抗匹配贴片(17)和环形贴片(18)采用导电材料制成。

优选的，所述上层介质板(1)、间隔介质板(2)和下层介质板(3)的厚度分别为0.508mm、0.254mm和0.787mm，所述集成基片间隙波导四臂圆极化天线的外廓尺寸为30mm×16mm×1.549mm。

优选的，通过改变所述阻抗匹配线的曲率半径，以使得天线的中心频率发生偏移。

优选的，通过改变天线臂(16)的短臂(161)与长臂(162)的长度比值，以调节天线轴比；通过改变所述预设长度因子，以调节天线轴比带宽性能。

优选的，所述上层介质板(1)、间隔介质板(2)和下层介质板(3)粘合在一起或通过螺钉固定在一起。

区别于现有技术的情况，本发明的有益效果是：通过采用三层介质板，其中上层介质板的上表面印刷有敷铜层和缝隙，下表面印刷有馈电微带线、阻抗变换器和阻抗匹配线，阻抗匹配线从外向内弯曲成环形，并设有四个互相垂直且间隔四分之一波长的天线臂，缝隙内设有与阻抗变换器正对设置且大小相同的阻抗匹配贴片以及与阻抗匹配线正对设置且大小相同的环形贴片，四个天线臂产生圆极化波，缝隙辐射圆极化波，以形成ISGW圆极化天线，从而能够简化天线结构、提高天线增益和带宽、改善轴比带宽性能，具有结构简单，带宽较宽，抗干扰能力强，易加工集成等优点。

附图说明

图1是本发明实施例的集成基片间隙波导四臂圆极化天线的结构示意图。

图2是图1所示的集成基片间隙波导四臂圆极化天线的上层介质板的仰视示意图。

图3是图1所示的集成基片间隙波导四臂圆极化天线的下层介质板的俯视示意图。

图4是图1所示的集成基片间隙波导四臂圆极化天线的下层介质板的仰视示意图。

图5是图1所示的集成基片间隙波导四臂圆极化天线的S参数仿真结果图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参阅图1至图5，本发明实施例的集成基片间隙波导四臂圆极化天线包括上层介质板1、下层介质板3以及设置在上层介质板1和下层介质板3之间的间隔介质板2。

上层介质板1的上表面印刷有第一敷铜层11，第一敷铜层11上设有缝隙12，上层介质板1的下表面印刷有依次连接的馈电微带线13、四分之一波长的阻抗变换器14和四分之三波长的阻抗匹配线15，阻抗匹配线15从外向内弯曲成环形，阻抗匹配线15上设有四个互相垂直且间隔四分之一波长的天线臂16，阻抗变换器14、阻抗匹配线15和天线臂16位于缝隙12的投影范围内，缝隙12内设有与阻抗变换器14正对设置且大小相同的阻抗匹配贴片17以及与阻抗匹配线15正对设置且大小相同的环形贴片18。阻抗匹配线15和环形贴片18弯曲部分可以近似或等于圆环。缝隙12的形状可以为矩形或其它形状。

下层介质板3的下表面印刷有第二敷铜层31，下层介质板3的上表面印刷有周期性排列的圆形金属贴片32，每一圆形金属贴片32上设有金属过孔33，每一金属过孔33贯穿下层介质板3与第二敷铜层31相连。金属过孔33可以为圆形、方形等形状。每一圆形金属贴片32与其上的金属过孔33构成蘑菇型EBG结构，这样，下层介质板3上就形成了周期性排列的蘑菇型EBG结构。

间隔介质板2用于分隔上层介质板1和下层介质板3，使上层介质板1和下层介质板3之间形成间隙。上层介质板1、下层介质板3和间隔介质板2可以粘合在一起或通过螺钉固定在一起。

上层介质板1上的第一敷铜层11相当于理想电导体(PEC)，下层介质板3相当于理想磁导体(PMC)，上层介质板1、间隔介质板2、下层介质板3、第一敷铜层11、馈电微带线13、周期性排列的蘑菇型EBG结构以及第二敷铜层31就共同构成集成基片间隙波导(ISGW)结构。馈电微带线13位于ISGW结构边缘的一端设为馈电端口A，馈电微带线13的另一端通过阻抗变换器14和阻抗匹配线15给四个天线臂16馈电产生圆极化波，产生的圆极化波从缝隙12辐射出去。并且缝隙12内的环形贴片18可以抵消馈电微带线13在远区产生的电磁场，从而提高天线的轴比带宽和增益。此外，环形贴片18的电流和阻抗匹配线15的电流大小相等，方向相反，可以抵消阻抗匹配线15在远区产生的电磁场，进而提高天线的轴比带宽和增益。

在本实施例中，天线臂16包括与阻抗匹配线15连接的短臂161以及与短臂161垂直连接的长臂162。四个天线臂16的长度依次增大，例如以一个天线臂16的长度为基准长度，其余三个天线臂16的长度分别为基准长度乘以预设长度因子、基准长度乘以预设长度因子的平方、基准长度乘以预设长度因子的立方。其中，阻抗匹配线15的曲率半径会影响正交电场的幅度，通过改变阻抗匹配线15的曲率半径，以使得天线的中心频率发生偏移，例如可以使阻抗带宽和轴比带宽都变窄，经过本申请发明人验证，当阻抗匹配线15呈圆环形，且半径等于0.875mm时，天线的回波损耗达到最佳。通过改变预设长度因子，可以改变四个天线臂16上的电流分布和轴比带宽，以调节天线轴比带宽性能，例如可以使阻抗带宽不变，轴比带宽变窄，经过本申请发明人验证，预设长度因子取0.96时，轴比带宽最佳。通过改变天线臂16的短臂161与长臂162的长度比值，以调节天线轴比，经过本申请发明人验证，短臂161的长度与长臂162的长度比值为0.65时，天线轴比最佳，圆极化性能最好。

在本实施例中，圆形金属贴片32仅在缝隙12在下层介质板3上表面的投影范围外排列。也就是说，下层介质板3上表面正对缝隙12的区域为空白区域，没有设置圆形金属贴片32。

为了详细说明本实施例的集成基片间隙波导四臂圆极化天线，下面给出一个具体实例。在该具体实例中，上层介质板1和下层介质板3均采用Rogers5880板材制成。上层介质板1、间隔介质板2和下层介质板3的厚度分别为0.508mm、0.254mm和0.787mm，集成基片间隙波导四臂圆极化天线的外廓尺寸为30mm×16mm×1.549mm，阻抗匹配贴片17和环形贴片18采用导电材料制成，例如为铜质材料。通过仿真及测试，从图5的S11参数仿真结果可以看出，该天线的-10dB阻抗带宽从30.5-37.9GHz(约21.8％)；天线的轴比带宽(AR低于3dB)频率范围为32.7-35.5GHz(约8.2％)；天线的增益在34GHz处为6.6dBi。通过测试表明，本实施例的集成基片间隙波导四臂圆极化天线在带宽、增益方面要优于传统的圆极化天线。其中，S11表示回波损耗。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种集成基片间隙波导四臂圆极化天线，其特征在于，包括上层介质板(1)、下层介质板(3)以及设置在所述上层介质板(1)和下层介质板(3)之间的间隔介质板(2)；

所述上层介质板(1)的上表面印刷有第一敷铜层(11)，所述第一敷铜层(11)上设有缝隙(12)，所述上层介质板(1)的下表面印刷有依次连接的馈电微带线(13)、四分之一波长的阻抗变换器(14)和四分之三波长的阻抗匹配线(15)，所述阻抗匹配线(15)从外向内弯曲成环形，所述阻抗匹配线(15)上设有四个互相垂直且间隔四分之一波长的天线臂(16)，所述阻抗变换器(14)、阻抗匹配线(15)和天线臂(16)位于所述缝隙(12)的投影范围内，所述缝隙(12)内设有与阻抗变换器(14)正对设置且大小相同的阻抗匹配贴片(17)以及与阻抗匹配线(15)正对设置且大小相同的环形贴片(18)；

所述下层介质板(3)的下表面印刷有第二敷铜层(31)，所述下层介质板(3)的上表面印刷有周期性排列的圆形金属贴片(32)，每一所述圆形金属贴片(32)上设有金属过孔(33)，每一所述金属过孔(33)贯穿下层介质板(3)与第二敷铜层(31)相连。

2.根据权利要求1所述的集成基片间隙波导四臂圆极化天线，其特征在于，所述天线臂(16)包括与阻抗匹配线(15)连接的短臂(161)以及与短臂(161)垂直连接的长臂(162)。

3.根据权利要求2所述的集成基片间隙波导四臂圆极化天线，其特征在于，所述四个天线臂(16)的长度依次增大。

4.根据权利要求3所述的集成基片间隙波导四臂圆极化天线，其特征在于，以一个天线臂(16)的长度为基准长度，其余三个天线臂(16)的长度分别为基准长度乘以预设长度因子、基准长度乘以预设长度因子的平方、基准长度乘以预设长度因子的立方。

5.根据权利要求1所述的集成基片间隙波导四臂圆极化天线，其特征在于，所述圆形金属贴片(32)仅在缝隙(12)在下层介质板(3)上表面的投影范围外排列。

6.根据权利要求1所述的集成基片间隙波导四臂圆极化天线，其特征在于，所述上层介质板(1)和下层介质板(3)均采用Rogers5880板材制成，所述阻抗匹配贴片(17)和环形贴片(18)采用导电材料制成。

7.根据权利要求6所述的集成基片间隙波导四臂圆极化天线，其特征在于，所述上层介质板(1)、间隔介质板(2)和下层介质板(3)的厚度分别为0.508mm、0.254mm和0.787mm，所述集成基片间隙波导四臂圆极化天线的外廓尺寸为30mm×16mm×1.549mm。

8.根据权利要求1所述的集成基片间隙波导四臂圆极化天线，其特征在于，通过改变所述阻抗匹配线的曲率半径，以使得天线的中心频率发生偏移。

9.根据权利要求4所述的集成基片间隙波导四臂圆极化天线，其特征在于，通过改变天线臂(16)的短臂(161)与长臂(162)的长度比值，以调节天线轴比；通过改变所述预设长度因子，以调节天线轴比带宽性能。

10.根据权利要求1所述的集成基片间隙波导四臂圆极化天线，其特征在于，所述上层介质板(1)、间隔介质板(2)和下层介质板(3)粘合在一起或通过螺钉固定在一起。

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